Сила сцепления и притяжения неодимового магнита. Марка неодимовых магнитов

Данная страница пока только на русском языке.

1. Магнетизм

2. Магнитное поле

3. Постоянный магнит

1. Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. , атомов и молекул, а в макроскопическом масштабе - электрический ток и постоянные магниты. Наряду с электричеством, магнетизм - одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. Основной характеристикой магнитного поля является вектор индукции, совпадающий в вакууме с вектором напряженности магнитного поля.

Магнитный момент, магнитный дипольный момент - основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина. Магнитный момент измеряется в А*м2 или Дж/Тл (СИ).

Формулы для вычисления магнитного момента
В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как
, где I - сила тока в контуре, S - площадь контура, n - единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика: если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.

где r - радиус-вектор проведенный из начала координат до элемента длины контура dl

где j - плотность тока в элементе объёма dV.

2. Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции B . В СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл).

Магнитное поле - это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Можно также рассматривать магнитное поле, как релятивистскую составляющую электрического поля. Точнее, магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей и специальной теории относительности. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются свет и прочие электромагнитных волны.

Проявление магнитного поля
Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к вектору v

где a - угол между направлением вектора скорости частицы v v и направлением вектора магнитного поля B

Также магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник будет называться силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действущих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

Взаимодействие двух магнитов
Наиболее часто встречаемое проявление магнитного поля - взаимодействие двух магнитов: подобные полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами, как взаимодействие между двумя монополями, но эта идея не приводит к правильному описанию явления.

Правильнее будет сказать, что на магнитный диполь помещённый в неоднородное поле действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем.

Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается по формуле:

Сила, действующую на магнит со стороны неоднородного магнитного поля, может быть также определенна суммированием всех сил, действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

Энергию магнитного поля можно найти по формуле:

где: Ф - магнитный поток, I - ток, L - индуктивность катушки или витка с током.

3. Постоянный магнит - изделие различной формы из жёсткого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющие состояние намагниченности в течение длительного времени. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита.

Индукция постоянного магнита Bd не может превышать Br: равенство Bd = Br возможно лишь в том случае, если магнит представляет собой замкнутый магнитопровод, то есть не имеет воздушного промежутка, однако постоянные магниты, как правило, используются для создания магнитного поля в воздушном (или заполненном другой средой) зазоре, в этом случае Bd
Для производства постоянных магнитов используются четыре основных класса материалов:

керамические (ферриты)


неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB)


самарий-кобальт (SmCo)


альнико (Alnico)

Для применений при обычных температурах самые сильные постоянные магниты делаются из сплавов, содержащих неодим. Они используются в таких областях, как магнитно-резонансная томография, сервоприводы жёстких дисков и создание высококачественных динамиков.

Постоянные магниты на уроках физики обычно демонстрируются в виде подковы, полюса которой окрашены в синий и красный цвет.

Отдельные шарики и цилиндры с сильными магнитными свойствами используются в качестве хай-тек украшений/игрушек - они без дополнительных креплений собираются в цепочки, которые можно носить как браслет. Так же в продаже есть конструкторы, состоящие из набора цилиндрических магнитных палочек и стальных шариков. Из них можно собирать множество конструкций, в основном фермового типа.

Кроме того, существуют гибкие плоские магниты на полимерной основе с магнитными добавками, которые используются например, для изготовления декоративных магнитов на холодильники, оформительских и прочих работ. Выпускаются в виде лент и листов, обычно с нанесённым клеевым слоем и плёнкой, его защищающей. Магнитное поле у такого плоского магнита полосатое - с шагом около двух миллиметров по всей поверхности чередуются положительные и отрицательные полюса.

Сила притяжения постоянного магнита (или мощность постоянного магнита) зависит от множества параметров таких как.

Магниты не оказывают влияние на такие вещества, как дерево, бумага, пластик и даже некоторые металлы, например алюминий, из которых делают банки для напитков. Если магниты оказываются вблизи объектов, содержащих железо, они притягивают их к себе невидимой силой. Когда два магнита находятся рядом, они могут притягиваться (стремиться приблизиться друг к другу) или отталкиваться (отдаляться друг от друга).

Что такое магнит?

Магнит – это объект, который производит силу, называемую магнетизмом. Магнитное поле – область, в которой обнаруживаются магнитные силы. Наибольший магнетизм проявляется в двух местах магнита – на его полюсах. Один называют севером, или плюсом, другой – югом, или минусом. Северный полюс одного магнита отталкивает северный полюс другого, но притягивает его юг. Основной закон магнетизма гласит, что одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

Типичный магнит в форме бруска сделан из стали. Его магнитные силовые линии в виде дуги проходят от одного полюса к другому. Магнит может быть и другой формы: например, в виде подковы – с полюсом на каждом его конце; в виде диска – с полюсом на каждой стороне; в виде кольца – с одним полюсом на внешней его части (ободе)и другим полюсом на внутренней части.

Как образуется магнетизм?

Он возникает благодаря движению тех же частиц, что создают электричество, — электронов атомов. Электроны движутся вокруг ядер в атомах и вокруг самих себя, ядра атомов также вращаются. Обычно электроны кружат случайным образом, под разными углами. Но в магните, по-видимому, вращение электронов упорядочивается, их малые силы складываются, создавая общую силу – магнетизм.

К каким веществам относятся магнетики?

Самый простой магнетик, то есть материал, который притягивается магнитом, — это железо. Сталь содержит большой процент железа, а значит, она тоже является магнетиком. Менее распространённые металлы никель и кобальт и редкие металлы неодим, годолиний и диспрозий проявляют незначительные магнитные свойства.

Горная порода, богатая железом и названная магнетиком, или магнитным железняком, обладает природным магнетизмом. Длинные и тонкие кусочки этой породы использовали для первых магнитных компасов.

Керамические диски, положенные друг на друга, используют как изоляторы. Это помогает предотвратить потери мощной электрической энергии в высоковольтных линиях, то есть не допустить утечек или резких переходов энергии в землю. Однако если сила электричества велика, 0,5млн. вольт (В) или более, а воздух очень влажный (вода – хороший проводник электричества), то электричество может уходить в виде искры в землю.

Магнитное притяжение

Земля как магнит

Наша планета является огромным магнитом. Внутри земного ядра, образованного горными породами со значительным содержанием железа, очень большое давление и высокая температура. Земля постоянно вращается, поэтому расплавленные горные породы ядра безостановочно текут. Именно движущие железосодержащие массы и создают магнитное поле, которое достигает поверхности Земли и продолжается вокруг неё в космосе. Как и любое магнитное поле, оно ослабевает на больших расстояниях. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими и находятся на некотором расстоянии от Северного и Южного полюсов. Через эти географические полюса проходит географическая ось, вокруг которой вращается Земля.

Природный магнетизм Земли возникает в его ядре. Но магнитное поле простирается на сотни километров в космосе. Магнитный Северный полюс находится возле острова Батерст в северной Канаде, на расстоянии 1000 км от географического Северного полюса. Магнитный Южный полюс находится в океане возле Земли Уилкса (Антарктида), на расстоянии 2000 км от географического Южного полюса.

Ладонь левой руки расположите таким образом, чтобы линии магнитной индукции как бы входили в нее, а четыре вытянутых пальца, сложенных параллельно друг другу, обозначали направление движения положительного . В результате большой палец левой руки, отогнутый на угол в 90 , укажет направление силы Лоренца. Если правило буравчика применяется для отрицательных зарядов, то четыре вытянутых пальца расположите скорости движения заряженных .

Индукцию магнитного поля, которая и является силовой характеристикой поля, образованного электрическим током, можно найти по приведенной формуле. Здесь rₒ - это радиус-вектор. Он указывает точку, в которой мы находим силу магнитного поля. Dl – длина участка, образующего магнитное поле, а I – соответственно, сила тока. В системе СИ µₒ - постоянная магнитная, равная произведения 4π на 10 в - .

Модуль силы Лоренца определите как произведение следующих величин: модуля заряда носителя, скорости упорядоченного движения носителя по проводнику, модуля индукции магнитного поля, угла между векторами указанной скорости и магнитной индукции. Эта справедлива при всех значениях скорости заряженной .

Запишите выражение и сделайте необходимые расчеты.

Видео по теме

Обратите внимание

Если заряженная частица осуществляет движение в магнитном поле, характеризующемся однородностью, то при действии на нее силы Лоренца вектор скорости этой частицы будет лежать в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции. В результате заряженный объект станет двигаться по окружности. В таких случаях магнитная сила Лоренца становится центростремительной силой.

Полезный совет

Направление силы Лоренца перпендикулярно направлению векторов скорости и магнитной индукции. В момент движения в магнитном поле заряженной частицы эта сила никакой работы не совершает. Следовательно, модуль вектора скорости в это время сохраняется, а изменяется лишь направление этого вектора.

Источники:

• Магнитное взаимодействие токов

Совет 2: Напряженность магнитного поля и его основные характеристики

Магнитное поле - это одна из форм материи, объективной реальности. Оно невидимо для человеческого глаза, но его существование проявляется в виде магнитных сил, оказывающих воздействие на заряженные частицы и постоянные магниты.

Графическое изображение магнитного поля

Магнитное поле невидимо по своей природе. Для удобства был разработан способ его графического изображения в виде силовых линий. Их направление должно совпадать с направлением сил магнитного поля. Силовые линии не имеют начала и конца: они замкнуты. Это отражает одно из уравнений Максвелла в теории электромагнитного взаимодействия. Ученым сообществом принято, что силовые линии «начинаются» на северном полюсе магнита и «заканчиваются» на южном. Это дополнение было сделано исключительно для условного задания направления вектора силы магнитного поля.

В замкнутости силовых линий магнитного поля можно убедиться при помощи простого опыта. Нужно постоянный магнит и область вокруг него железными опилками. Они будут располагаться таким образом, что вы сможете увидеть сами силовые линии.

Напряженность магнитного поля

Вектор напряженности магнитного поля и есть тот самый вектор, описанный в предыдущем разделе. Именно его направление должно совпадать с направлением силовых линий. Это сила, с которой поле действует на постоянный магнит, помещенный в него. Напряженность характеризует взаимодействие магнитного поля с окружающим веществом. Существует специальная , с помощью которой можно определить модуль ее вектора в любой точке пространства (закон Био-Савара-Лапласа). Напряженность не зависит от магнитных свойств среды и измеряется в эрстедах (в системе СГС) и в А/м (СИ).

Индукция магнитного поля и магнитный поток

Индукция магнитного поля характеризует его интенсивность, т.е. способность производить работу. Чем выше эта способность, тем сильнее поле и выше концентрация силовых линий в 1 м2. Магнитный поток есть произведение индукции на площадь, на которую воздействует поле. Численно эту величину принято приравнивать к количеству силовых линий, пронизывающих определенную площадь. Поток максимален, если площадка расположена перпендикулярно к направлению вектора напряженности. Чем меньше этот угол, тем слабее воздействие.

Магнитная проницаемость

Действие магнитного поля в определенной среде зависит от ее магнитной проницаемости. Эта величина характеризует величину индукции в среде. Воздух и некоторые вещества имеют магнитную проницаемость вакуума (значение берется из таблицы физических постоянных). В ферромагнетиках она в тысячи раз больше.

Существует два основных типа магнитов: постоянные и электромагниты. Определить, что же такое постоянный магнит, можно на основании главного его свойства. Постоянный магнит получил свое название за то, что его магнетизм всегда «включен». Он генерирует собственное магнитное поле, в отличие от электромагнита, сделанного из проволоки, обернутой вокруг железного сердечника, и требующего протекания тока для создания магнитного поля.

История изучения магнитных свойств

Столетия назад люди открыли, что некоторые типы горных пород обладают оригинальными особенностями: притягиваются к железным предметам. Упоминание о магнетите встречается в древних исторических летописях: больше двух тысячелетий назад в европейских и намного ранее в восточноазиатских. Сначала он оценивался как любопытный предмет.

Позже магнетит стали использовать для навигации, обнаружив, что он стремится занять определенное положение, когда ему предоставлена свобода вращения. Научное исследование, проведенное П. Перегрином в 13-м веке, показало, что сталь может приобрести эти особенности после потирания магнетитом.

У намагниченных предметов было два полюса: «северный» и «южный», относительно магнитного поля Земли. Как обнаружил Перегрин, изоляция одного из полюсов не представлялась возможной, если разрезать осколок магнетита надвое, – каждый отдельный фрагмент имел в результате собственную пару полюсов.

В соответствии с сегодняшними представлениями магнитное поле постоянных магнитов – это результирующая ориентация электронов в едином направлении. Только некоторые разновидности материалов взаимодействуют с магнитными полями, значительно меньшее их количество способно сохранять постоянное МП.

Свойства постоянных магнитов

Основными свойствами постоянных магнитов и создаваемого ими поля являются:

• существование двух полюсов;
• противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются (как положительные и отрицательные заряды);
• магнитная сила незаметно распространяется в пространстве и проходит через объекты (бумага, дерево);
• наблюдается усиление интенсивности МП вблизи полюсов.

Постоянные магниты поддерживают МП без внешней помощи. Материалы в зависимости от магнитных свойств делятся на основные виды:

• ферромагнетики – легко намагничивающиеся;
• парамагнетики – намагничиваются с большим трудом;
• диамагнетики – склонны отражать внешнее МП путем намагничивания в противоположном направлении.

Важно! Магнито-мягкие материалы, такие как сталь, проводят магнетизм при прикреплении к магниту, но это прекращается при его удалении. Постоянные магниты изготавливаются из магнито-твердых материалов.

Как работает постоянный магнит

Его работа связана с атомной структурой. Все ферромагнетики создают естественное, хотя и слабое, МП, благодаря электронам, окружающим ядра атомов. Эти группы атомов способны ориентироваться в едином направлении и называются магнитными доменами. Каждый домен обладает двумя полюсами: северным и южным. Когда ферромагнитный материал не намагничен, его области ориентированы в случайных направлениях, а их МП компенсируют друг друга.

Чтобы создать постоянные магниты, ферромагнетики нагреваются при очень высоких температурах и подвергаются воздействию сильного внешнего МП. Это приводит к тому, что отдельные магнитные домены внутри материала начинают ориентироваться по направлению внешнего МП до тех пор, пока все домены не выровняются, достигнув точки магнитного насыщения. Затем материал охлаждают, и выровненные домены блокируются в нужном положении. После удаления внешнего МП магнито-твердые материалы будут удерживать большую часть своих доменов, создавая постоянный магнит.

Характеристики постоянного магнита

1. Магнитную силу характеризует остаточная магнитная индукция. Обозначается Br. Это та сила, которая остается после исчезновения внешнего МП. Измеряется в тестах (Тл) или гауссах (Гс);
2. Коэрцитивность или сопротивление размагничиванию – Нс. Измеряется в А/м. Показывает, какова должна быть напряженность внешнего МП для того, чтобы размагнитить материал;
3. Максимальная энергия – BHmax. Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы Br и коэрцитивности Нс. Измеряется в МГсЭ (мегагауссэрстед);
4. Коэффициент температуры остаточной магнитной силы – Тс of Br. Характеризует зависимость Br от температурного значения;
5. Tmax – наивысшее значение температуры, при достижении которого постоянные магниты утрачивают свойства с возможностью обратного восстановления;
6. Tcur – наивысшее значение температуры, когда магнитный материал безвозвратно утрачивает свойства. Этот показатель называется температурой Кюри.

Индивидуальные характеристики магнита изменяются в зависимости от температуры. При разных значениях температуры разные типы магнитных материалов работают по-разному.

Важно! Все постоянные магниты теряют процент магнетизма при подъеме температуры, но с разной скоростью, зависящей от их типа.

Типы постоянных магнитов

Всего существует пять типов постоянных магнитов, каждый из которых изготовляется по-разному на основе материалов с отличающимися свойствами:

• альнико;
• ферриты;
• редкоземельные SmCo на основе кобальта и самария;
• неодимовые;
• полимерные.

Альнико

Это постоянные магниты, состоящие в основном из комбинации алюминия, никеля и кобальта, но могут также включать медь, железо и титан. Благодаря свойствам магнитов альнико, они могут работать при самых высоких температурах, сохраняя свой магнетизм, однако они легче размагничиваются, чем ферритовые или редкоземельные SmCo. Они были первыми серийными постоянными магнитами, заменяющими намагниченные металлы и дорогие электромагниты.

Применение:

• электродвигатели;
• термическая обработка;
• подшипники;
• аэрокосмические аппараты;
• военная техника;
• высокотемпературное погрузо-разгрузочное оборудование;
• микрофоны.

Ферриты

Для изготовления ферритовых магнитов, известных еще как керамические, применяются карбонат стронция и оксид железа, в соотношении 10/90. Оба материала в изобилии и экономически доступны.

Из-за низких издержек производства, устойчивости к нагреву (до 250°C) и коррозии ферритовые магниты – одни из самых популярных для повседневного применения. Они имеют большую внутреннюю коэрцитивность, чем альнико, но меньшую магнитную силу, чем неодимовые аналоги.

Применение:

• звуковые колонки;
• охранные системы;
• большие пластинчатые магниты для удаления загрязнения железом технологических линий;
• электродвигатели и генераторы;
• медицинские инструменты;
• подъемные магниты;
• морские поисковые магниты;
• устройства, основанные на работе вихревых токов;
• выключатели и реле;
• тормоза.

Редкоземельные магниты SmCo

Магниты из кобальта и самария работают в широком температурном диапазоне, имеют высокие температурные коэффициенты и высокую коррозионную стойкость. Этот вид сохраняет магнитные свойства даже при температурах ниже абсолютного нуля, что делает их популярными для использования в криогенных установках.

Применение:

• турботехника;
• насосные муфты;
• влажные среды;
• высокотемпературные устройства;
• миниатюрные гоночные автомобили с электроприводом;
• радиоэлектронные устройства для работы в критических условиях.

Неодимовые магниты

Сильнейшие существующие магниты, состоящие из сплава неодима, железа и бора. Благодаря их огромной силе, даже миниатюрные магниты эффективны. Это обеспечивает универсальность использования. Каждый человек постоянно находится рядом с одним из неодимовых магнитов. Они есть, например, в смартфоне. Изготовление электродвигателей, медтехника, радиоэлектроника опираются на сверхпрочные неодимовые магниты. Из-за их сверхпрочности, огромной магнитной силы и стойкости к размагничиванию возможно изготовление образцов до 1 мм.

Применение:

• жесткие диски;
• звуковоспроизводящие устройства – микрофоны, акустические датчики, наушники, громкоговорители;
• протезы;
• насосы с магнитной связью;
• дверные доводчики;
• двигатели и генераторы;
• замки на ювелирных изделиях;
• сканеры МРТ;
• магнитотерапия;
• датчики ABS в автомобилях;
• подъемное оборудование;
• магнитные сепараторы;
• герконовые переключатели и т. д.

Гибкие магниты содержат магнитные частицы, находящиеся внутри полимерного связующего. Используются для уникальных устройств, где невозможна установка твердых аналогов.

Применение:

• дисплейная реклама – быстрая фиксация и быстрое удаление на выставках и мероприятиях;
• знаки транспортных средств, учебные школьные панели, логотипы компаний;
• игрушки, головоломки и игры;
• маскирование поверхностей для окраски;
• календари и магнитные закладки;
• оконные и дверные уплотнения.

Большинство постоянных магнитов являются хрупкими и не должны использоваться в качестве структурных элементов. Они изготавливаются в стандартных формах: кольца, стержни, диски, и индивидуальных: трапеции, дуги и др. Неодимовые магниты из-за высокого содержания железа подвержены коррозии, поэтому покрываются сверху никелем, нержавеющей сталью, тефлоном, титаном, каучуком и другими материалами.

Видео

Типы магнитов